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研究种类：Quantum Computing, Superconducting Qubit
原文作者: Qiskit
创作者：Wonder@DAOrayaki.org
审核者：Tan Zhi Xuan@DAOrayaki.org
原文: How The First Superconducting Qubit Changed Quantum Computing Forever
作者：Robert Davis，IBM 量子和 Qiskit 技术撰稿人
当今量子计算机的驱动力——量子比特，蕴含许多不同的形式。一些量子处理器会使用光子量子，这些量子是由单个光子组成的。其他的则是基于离子阱量子比特，它使用悬浮在电磁场中的带电原子来存储和处理信息。而其中最成熟的架构是超导量子比特。对于现在的量子领域研究人员来说，这是一个顺理成章的事实，但对于在 20 世纪 90 年代中后期，也是量子计算启蒙期的研究人员来说，这是一个相当大的惊喜。
大约在 2017 年，由 IBM 量子公司制造的四量子比特超导量子处理器
超导量子比特是更广泛模型系统的一部分，它包括我们所说的“固态”量子计算，即不依赖移动部件的量子计算机，其构造在很大程度上借用了为传统固态计算而开发的制造技术。二十五年前，超导量子比特和一般的固态量子比特被认为只是一个空想。即使在 1999 年研究人员发表了第一个超导量子比特的演示后，量子学界也花了数年时间争论，认为新的量子比特体系并不能构成一个真正的量子系统。
但是，从那时起，超导量子比特已经发展成为全球最大的量子计算公司们最常使用的量子比特技术形式之一，包括 IBM、谷歌、微软等等公司。为了理解这一现象，我们需要仔细研究超导量子比特是如何工作的，以及它们与之前量子比特的物理实现有何不同。
关于超导的入门知识
从最基础层面上来说，超导量子比特只是一个有电流环绕的电路环。该回路由金属组成，当冷却到某个临界温度以下时，这些金属就会变成超导，即能够无阻力地传导电流。电流是由“库柏对”组成的，这是一种特殊的电子结合状态，只发生在这些超导材料中。
根据超导体的标准 BCS 理论，超导之所以发生，是因为一旦超导材料达到其临界温度，原本互相排斥的电子会变得有些互相吸引。这导致了库柏对的形成，而这些电子结合能够在超导材料中自由流动而不发生散射。
超导性对于量子比特来说是一个有价值的特性，原因之一是当电流流经没有电阻的金属时，不会产生耗散。电流流过超导体是无损耗的，至少在理论上是这样的，这意味着超导体不会向其环境损失能量，这是构建量子比特的另一个有用的特性。这一特性使我们能够构建电流流动而不引起耗散或加热的电路。
但更重要的是，量子处理器中的超导电路是可量化的，这意味着它们遵循量子力学的规则，只采用离散的状态。然后，我们可以使用物理操作来控制和测量这些量子比特的状态，如应用微波脉冲或磁通脉冲。根据正在进行的研究，我们现在能够用传统的可模拟指标（如阻抗）可靠地预测这些电路的量子特性。
为什么超导量子比特会脱颖而出
超导量子比特可能是量子计算领域中应用最广泛的量子比特模型之一，但它并不是最古老的。事实上，直到 90 年代末，最早的量子计算机建成多年之后，超导量子和其他固态量子比特模型才首次亮相。最早的量子计算机包括离子阱量子计算机和液态核磁共振量子（NMR）计算机，它们的量子比特与超导模型有很大区别。
离子阱量子计算机也许更容易理解一些，离子被困在电磁场中，量子信息被储存在这些离子的电子状态中，激光引出量子门。同时，在核磁共振量子计算机中，某些合成或自然分子中的原子核的自旋态可以作为量子比特发挥作用。为了操作液态核磁共振量子计算机，研究人员将这些分子的大集合悬挂在液体溶剂中，并通过应用外部磁场来操纵它们的核自旋状态。这种分子集合方法几乎不可能从核磁共振计算机中获得单个比特串。相反，它们通常只输出比特串的集合。
NMR模型是“分子”量子计算的一种形式，它与产生第一个超导量子比特的固态范式截然不同。分子量子计算机可以采取许多不同的形式，即使在今天，分子量子比特也比固态替代方案具有一些关键的优势。其中一个优势是，在一个特定的量子处理器中，分子量子比特总是相同的，这与固态量子比特不同。另一个优势与量子比特的相干时间有关，这是量子计算硬件设计面临的一个主要挑战。由于它们与周围的环境相对隔离，构成单个分子量子比特的原子核享有一定程度的自然（尽管是有限的）量子退相干保护。
相比之下，由于超导量子比特是人工制造的，所以彼此之间并不完全相同。它们也许很小，但它们仍然是足够大的，所以在制造它们时不可能不产生从一个量子比特到另一个量子比特的变化，这些变化必须通过系统校准来说明。
然而，这些相同的制造工艺使得超导量子比特比分子模型具有重要优势。早在第一台量子计算机建成之前，我们用来制造它们的许多技术就已经存在并经历了不断的完善，一些研究人员认为，超导量子比特更容易实现大规模的建造，而且它们最终将实现更精细的计算操作。
同样，与分子量子比特相比，超导量子比特与其环境的强耦合可能会推动更快的退相干时间，虽然需要额外的纠错，但这也使得用微波信号控制超导量子比特更加容易。更重要的是，量子逻辑门在超导系统中通常运行得更快，这一事实可以抵消相对较短的退相干时间。
第一个超导量子比特
到了 21 世纪初，许多研究人员认为，像核磁共振量子计算中使用的液态量子比特可能永远不会有足够的扩展性，无法创造出拥有超过几十个量子比特的工作量子计算机。当时的研究人员发现，在不影响系统中其他量子比特的情况下解决单个核磁共振量子比特几乎是不可能的，这使得量子逻辑门难以实现。他们也没有办法在计算过程中重新初始化单个量子比特，而这是实施有效纠错方案的重要步骤。
在 2000 年的一篇论文中，IBM 的 David P. DiVincenzo 表示，除非这些挑战得到解决，否则 NMR将永远不会成为量子计算的可扩展方案。这一预测被证明是非常准确的。我们今天仍在使用 NMR 量子计算机，它将继续在量子计算领域发挥重要作用，帮助研究人员开发有用的控制技术。然而，总的来说，随着研究界对探索固态和离子阱量子比特的潜力越来越感兴趣，在 21 世纪初它们便不再受到青睐。
在同时代的一篇论文中，牛津大学物理学教授 Jonathan A. Jones 评论说：“人们普遍认为，如果通用的量子计算机得到了广泛的使用，基本上肯定的是它将采用基于固态的方法。”在另一篇论文中，他至少给固态量子计算机提出了一个建议，那就是保持核磁共振的许多优点，但也要设法解决一些最严重的困难。
像超导量子比特这样的固态模型的提议在这一时期引起了广泛的关注。然而，即使在超导量子比特首次亮相后的几年里，至少量子界的一些成员仍然怀疑该技术是否会发展达到用于量子计算的程度。
其中一部分原因是超导量子比特比分子量子比特要大得多，从技术角度来看是在宏观规模上运行。如果你仔细观察我们今天的超导量子处理器，甚至不需要显微镜，你可以用肉眼看到这些量子比特。到 20 世纪 90 年代末，有一些证据表明量子力学定律可以适用于宏观系统，如实验显示量子隧道穿过约瑟夫森结，这本身就是这种超导电路中存在量子化的证据。
1999 年春天，由物理学家中村泰信领导的一个日本研究小组发表了一篇论文，展示了第一个功能性超导量子比特，这也是我们普遍认同的第一次超导量子比特实验。他们的发明最终被称为“电荷量子比特”，是众多超导量子比特设计中的第一个。
电荷量子比特本质上是一个量子 LC 电路，即一个由电感（L）和电容（C）组成的电路，这是两种不同类型的能量储存装置。电感器在磁场中储存能量，而电容器在电场中储存能量。
在下图所示的电荷量子比特电路图中，C 代表电容器，Ej 代表约瑟夫森结，一种作为量子比特电感的量子机械装置。我们也可以用约瑟夫森结建立一个电荷量子比特，而不使用专用的电容器，稍后会详细解释。V0 代表电压，是量子比特的能量来源。连接电容器、约瑟夫森结和电压门的黑线代表构成电路本身的超导金属。
为了理解电荷量子轨道的工作原理，将电路分为两个区域是有帮助的。电路图左下方从电容器 C 的底板延伸到约瑟夫森结 Ej 的小区域是超导“岛”。电路的其余部分，包括电压源，是一个超导“水库”。在电荷量子比特中，构成所有量子计算基础的零和一状态对应于岛区的“电荷状态”，即岛中没有或存在多余的库柏对。由于这个原因，超导岛也被称为“单库柏对盒”。
为了让一组库柏对从电压门到超导岛，它们必须首先通过约瑟夫森结，该结是由夹在两层超导材料之间的一层非常薄的绝缘材料组成的。值得注意的是，这种安排使约瑟夫森结具有少量的自电容，从而有可能建立一个由约瑟夫森结、电压门和无专用电容器组成的电荷量子比特。
由于“约瑟夫森效应”，库柏对电子能够以隧道的方式通过约瑟夫森结，，而这是以威尔士物理学家布莱恩·D·约瑟夫森命名的物理现象。1962 年，他预测在特定条件下，成对的电子可以通过置于两个超导体之间的非超导材料。对电压的仔细调整使得有可能控制该岛是处于零状态或一状态，或者是两者的叠加态。
之所以能够对这些状态进行编码，是因为与自然界的原子中的电子一样，在具有约瑟夫森结的超导电路中运行的库柏对具有离散的能量水平。这就是超导量子比特经常被称为“人造原子”的原因之一。同时，约瑟夫森结也起了重要作用，因为它们的功能就是我们所说的非线性电感器。
什么是非线性电感器？如果有人试图用一个普通的、线性的电感器来构建一个电荷量子比特，那么电感器上的任何电压变化都会产生一个相应的电流变化。因此，量子比特的能级将是等距的，而试图对一个特定的状态进行编码，很容易将量子比特推向一个对计算无益的能级（例如，两个状态）。
非线性电感使得电压的变化与电流的变化不成正比，也因为这样，能量级的距离是不相等的。因此，人们可以更容易地从几个能级中分离出两个作为零和一的状态，而不会把量子比特推到另一个不良状态。这是使超导量子比特发挥作用的重要因素之一。
超导量子计算时代的到来
电荷量子比特的发明标志着量子计算历史向前迈出了里程碑式的一步，它为量子硬件设计的新时代打开了大门。然而，在回顾我们如何获得第一个电荷量子比特的过程中，我们只讲述了超导量子比特的其中一个重要故事，而且这个故事还远未结束。
正如人们所期望的那样，第一批超导量子比特的能力非常有限。在最早的超导量子比特设计中，大多数保持相干的时间不到一纳秒（0.000000001秒）。随着时间的推移，这一数字有了明显的改善，相干时间已经接近整整一毫秒。这在很大程度上要归功于研究人员对退相干的理解的进步，也离不开更复杂的微波工程方法的发展，归功于保护量子比特不受环境影响的新技术，归功于专门研究非线性超导电路相互作用的电路量子电动力学（cQED）的进步等等因素。
另一个重大的挑战是测量。早期的量子比特读取技术是高度破坏性的，它们通常需要到将量子比特连接到超导量子干涉装置（SQUID）上，这是一种测量磁场的敏感工具，其用例将通过系统发送大量有害的准粒子（破碎的库柏对）和热量。cQED 的出现不仅产生了新的量子计算架构，而且还引入了非破坏性量子比特读取的可能性，几乎消除了量子粒子和量子比特附近的热量消散。
在中村论文发表后的几年里，研究界取得了许多其他进展，并创造了许多替代原始电荷量子比特的超导技术，如相量子比特和通量子比特。这些工作最终导致了超导传感量子比特的发明，它已成为当今量子计算行业的首选模型。事实上，我们可以用一个完全独立的博客来探讨跨蒙量子比特的影响。Transmon 模型在原始电荷量子比特的库柏对盒设计的基础上进行了改良，在电路中加入了一个大的并联电容，以保护量子比特免受电荷噪声的影响。
在我们能够实现真正有用的、容错的量子计算之前，我们仍有许多技术高山需要攀登。在这种情况下，量子计算机的量子比特被充分保护不受环境噪声的影响，而且电路能够实施有效的纠错方案。最近几个月，我们已经看到量子纠错方面取得了令人印象深刻的进展，并且改进了处理器架构的扩散，大大减少了错误的发生。然而，还有很多事情需要完成，实现我们的目标将需要大量的量子研究人员和工程师的持续努力。
当然，在该领域不断向前推进的同时，回顾并欣赏我们已取得的成就是十分重要的。在过去的二十年里，我们发明了许多曾经被认为是不可能实现的技术，并为许多难以解决的硬件工程问题找到了解决方案。我们无法预知未来会发生什么，但这段历史可以给予我们信心，我们将继续取得进展，我们将继续看到量子硬件取得的惊人进步。
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